玛多震害调研及其对寒区桥梁设计的影响

陈建兵，李金平，熊治华，李佳文，张会建

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司 高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室, 陕西 西安 710075；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院, 陕西 杨凌 712100)

因地质板块运动，我国是一个地震灾害多发的国家。除了本次发生在青海玛多的地震，近年来发生的大地震包括2010年4月14日的青海玉树地震、2008年5月12日的汶川大地震。在汶川地震中，公路桥梁惨遭重创，大量桥梁破坏甚至垮塌。李春凤[1]介绍了汶川地震的震源机制，对地震中桥梁震害情况进行了归纳总结：上部结构存在落梁、局部碰撞破坏、纵向与横向移位等震害现象，下部结构主要破坏形式为桥墩折断、混凝土剥落、开裂、挡块普遍失效。尹海军等[2]借鉴国内外有关桥梁地震的损伤规律，分析了桥梁损伤的主要原因，并提出了一些意见，以供灾区桥梁的修复和重建工作参考。庄卫林等[3]分析了桥长和支座布置方式对抗震的影响，并提出了关于次生地质灾害、桥型等方面对桥梁抗震的启示与对策。范立础等[4]对汶川震区213国道上桥梁震害进行了调查，并结合震区梁桥的结构特点，得出分析结果：梁桥的主要破坏模式为落梁、支座悬空、挡块和伸缩缝破坏，是由梁底与板式橡胶支座顶产生相对滑动，梁体发生较大位移而引起的，并提出了一些抗震设计建议。

汶川地震中对于桥梁震害的大量调研及总结对此后我国桥梁在抗震设计方法的改进提供了宝贵经验，但此次玛多地震又与以往发生的地震有所不同，玛多既处于冻土区又属于地震高烈度区，对于冻土区桥梁的抗震设计方法，目前研究较少。张熙胤等[5]总结了冻土区桥梁抗震的多年研究现状，认为目前冻土区的桥梁抗震设计中没有充分考虑冻土场地效应的影响，且仍缺乏相应的冻土区抗震规范。同时，冻土区桥梁由于基础冻胀融沉等因素[6]，结构形式大都采用简支，在地震发生时因结构体系原因上部位移偏大。本文实地调研了玛多地震中典型桥梁的震害情况，并对其破坏模式进行了分类，分析了此次桥梁震害产生的机理，探讨了适用于高寒强震区桥梁总体设计的方案。

1 震害调研

根据中国地震台网中心测定，北京时间2021年5月22日02时04分，青海省果洛州玛多县发生了7.4级地震。此次地震震源深度17 km，震中位于北纬34.59°，东经98.34°，是汶川地震之后中国发生的震级最高的一次地震。在此次地震中19人受伤，0人死亡。根据相关资料，初步判断此次地震由玛多-甘德断裂带左旋走滑造成。张喆等[7]给出了此次地震的矩心矩张量解。

另外，玛多县曾在1995年12月18日发生过6.2级地震，在1997年10月13日和12月6日两次发生地震，震级分别为4.2级和4.4级，两次地震都没有人员伤亡，但由于两次地震震源深度均较浅，建筑物受损比较严重，两次地震震灾损失总计为194.54万元[8]。2015年10月12日玛多发生5.2级地震，马玉虎等[9]根据该次地震的区域构造背景和震源机制，分析了该次地震的发震构造。王培玲等[10]根据该次地震的构造背景、余震序列等信息，认为地震序列为孤立型地震，属左旋走滑类型。郭文斌等[11]利用玛多-共和-雅布赖人工地震测深剖面的沉积盖层等信息，分析了青藏高原东北缘与外围块体间的上部地壳耦合及与地表构造形态之间的关系。由此看出，玛多属于地震发生比较频繁的高寒地区。因此，对于这类地区的桥梁建设及运营应予以高度重视。本次地震发生后，作者会同相关部门人员立即开展了实地调研。

1.1 野马滩大桥

野马滩大桥位于果洛藏族自治州玛多县野马滩，桥址区为低山平原地貌。桥位两侧均为滩地，地形平坦，坡度2°～5°，地层岩性主要为砂土、粉质黏土、砾砂、圆砾，地下水埋深较浅，局部湖塘中分布小岛，地表积水。该桥平面位于圆曲线半径R=987.301 m，缓和曲线长Ls=150 m、Ls=160 m的平曲线内。跨径组成为5×(5×20) m，与路线前进方向右偏角为90°，上部结构为先张法预应力混凝土空心板。下部采用柱式墩、柱式台、摩擦桩基础，支座采用橡胶支座。

该桥左右分幅，且距离地震断层非常近，地震发生后，发生连续多跨落梁，其中左幅落梁19跨，右幅落梁18跨，且每跨落梁方式均为主梁单侧落地，如图1所示。桥台路基过渡段损毁，桥台出现损伤，如图2所示。

图1 多跨落梁形态

图2 桥台路基过渡段损毁

从1#墩横截面(见图3)和立面图(见图4)可以看出，主梁、盖梁、桥墩均未发生明显破坏，说明构件设计较为合理，但主梁顺桥向位移超过盖梁宽度，仅依靠桥面连续构造无法承担主梁重量而发生断裂，从而导致落梁发生，同时该主梁也撞推相邻主梁，使之也发生超过盖梁宽度的位移，进而导致其相邻桥跨发生落梁，由此形成连续多跨的落梁形态。虽然有些桥跨未发生落梁，但其主梁纵桥向位移已接近盖梁所能支撑宽度极限，如图5所示。另外从图3还可以看出，因为主梁发生顺桥向大位移，支座无法承受超过其剪切变形的极大剪力，所以导致支座脱落。

图3 1#墩处横截面

图4 1#墩处立面图

1.2 野马滩2#大桥

该桥位于果洛藏族自治州玛多县查拉坪，桥址区为中山地貌。两岸桥台位于斜坡上，两侧桥岸自然坡角约5°。桥位处路线平曲线半径R=900 m，缓和曲线长Ls=130 m，桥孔布置于圆曲线、缓和曲线及直线段内，墩台径向布置。跨径组成为9×(5×20) m，与路线前进方向右偏角为90°，上部结构为先张法预应力混凝土空心板。下部采用柱式墩、柱式台、摩擦桩基础。支座采用橡胶支座。

图5 未落梁跨主梁纵桥向位移

该桥也为左右分幅，距离地震断层也很近，但相对野马滩大桥更远，震后左幅未落梁，右幅出现七跨落梁。其落梁形态与野马滩大桥一致，均为如图6所示的主梁单侧落地。

图6 2#桥落梁形态

另外，从图7和图8可以看出，和野马滩大桥类似，该桥也是主梁、盖梁、桥墩均未发生明显破坏，主梁顺桥向位移超过盖梁支承宽度，但该桥距离断层比野马滩大桥远，所以震害相对小些。且未落梁桥跨也发生较大顺桥向位移，达到已接近落梁的极限状态，如图9所示。

2 玛多地震破坏模式探讨

除了野马滩大桥和2#桥外，昌马河桥震害情况与第1章相似。根据现场调研与相关资料，将玛多地震中桥梁的破坏模式分为以下三种：

图7 主梁横断面图

图8 桥墩处立面图

图9 未落梁桥跨主梁顺桥向位移

(1) 因桥位处在断裂带附近，强大的脉冲地震力使主梁发生较大的纵桥向位移，直接导致连续落梁和其它震害。同时，几座桥梁的主梁均为结构简支桥面连续的预应力混凝土梁，桥面连续构造层在碰撞过程中起到了传力作用，主梁自重较大，当位移超过盖梁宽度后，单靠桥面连续构造层无法承担其重量而导致断裂。

(2) 支座的变形能力已超过其设计剪切变形能力，故其难以承担主梁过大的纵桥向位移，从而支座脱落。

(3) 地震作用下，主梁发生的顺桥向的大位移，使得主梁撞击桥台，从而导致桥台损坏和桥台路基过渡段损毁。

3 玛多震害对寒区桥梁结构设计方案的影响

在此次关于震害中桥梁破坏模式的调研基础之上，探讨关于高寒强震区桥梁总体设计的优化方案：

(1) 对于上部结构采用预应力混凝土的梁桥，需要采取相应的隔震措施，摩擦摆支座和减震球型支座均能有效降低顺桥向桥墩内力和位移，而且从支座的竖向承载力和恢复刚度等方面考虑，采用钢隔震支座优势显著，故建议预应力混凝土连续梁桥可采用摩擦摆等钢支座作为隔震措施[12]。但同时也必须指出，若采用预应力混凝土上部结构，隔震支座等配套附属构造较为昂贵，会显著增加工程造价。另外可通过增大伸缩缝间隙以及支座屈服位移的方式减少纵桥向主梁与桥台的碰撞次数[13]。青藏地区属于冻土区，考虑到在冻土区低温对混凝土的不利影响，可以通过掺加抗冻剂和引气剂提高混凝土的低温抗冻性。此外，青藏地区紫外线强烈，会加速混凝土材料的老化，对结构的耐久性产生不利影响，故应采取一定的构造措施，主要有：施加表面防护，如涂漆、砂浆抹面等；进行表面处理。另外，对采用FRP片材加固的混凝土结构，还可以通过增大FRP粘贴层数，对浸渍树脂进行改性等[14]方式加强结构的耐久性；还有一些学者对整体式桥台[15]和钢管混凝土组合桥墩[16]进行了抗震方面的研究。

(2) 对于新建或者改、扩建的桥梁，上部结构可采用较轻的组合梁，减轻上部结构的自重，从而减小地震惯性力，且无需采用专门的隔震支座，此外，采用自重小的上部结构，也将会相应节省下部冻土桩基的工程量。作者[17]提出一种装配式钢-混凝土组合桥梁，30 m跨径时钢梁高度范围在1.3 m～1.8 m，40 m跨径时钢梁高度范围在1.6 m～2.1 m，与一般的组合梁相比，可快速施工，现场作业少，且在路线平面无曲线弯斜条件下，工程经济优势显著。此外，也可考虑如图10所示MVFT钢-混凝土组合梁[18]，其梁体轻便，施工迅速，30 m跨径时钢梁高度范围在0.7 m～1.0 m，40 m跨径时钢梁高度范围在1.2 m～1.5 m。钢梁部分和混凝土板全部在工厂预制，利于减小混凝土板收缩徐变和快速施工投入使用。现将预应力混凝土梁、整体装配式钢混组合梁、MVFT组合梁桥型的工程经济指标统计数据列于表1中。另外，对于小跨径的旱桥(8 m～16 m)，拉挤型GFRP-混凝土组合结构自重轻、强度高、施工快、耐久性好，且造价经济，施工可作为模板，也是一种在高寒强震区具有广阔应用前景的上部结构形式，其混凝土桥面板厚度120 mm左右，组合梁全高大约680 mm，结构形式如图11所示。

图10 MVFT横截面构造图

表1 工程经济指标

图11 拉挤型GFRP-混凝土组合梁

(3) 此次地震中落梁是较为频发的一种严重震害，应予以重视。采用拉索式、钢板式、链式防落梁装置等均为较好的防落梁措施。也可将阻尼器与限位器、模数式伸缩缝与限位器、橡胶缓冲装置与限位器两两组合使用[19]。混合装置结合了多种材料或装置的优点，防落梁和碰撞破坏效果较好[20]。同时，结构简支、桥面连续的构造在强震时，桥面构造层起到了类似于刚性连杆的作用，传递了简支梁之间巨大的碰撞力；因此在设计方法上，桥面连续构造层从配筋、厚度、联长上应通盘考虑；其理想的力学模型为“可熔断的连杆”，如图12所示，在小震作用下，可熔断的连杆发生弹性变形；强震作用时，结构在巨大的拉力或者压力下自身发生断裂，从而阻止其传递梁与梁之间的力，同时还可以吸收地震的一部分能量；未来可开展大比例尺的实桥模型地震碰撞试验、非线性的振动数值计算以深入研究“可熔断”桥面连续构造层的力学机理。综上，需要进一步完善防落梁的构造措施及设计方法。

(4) 此次震害中，路桥过渡段均出现了明显的震害，主要包括桥台搭板端部路面出现的挤压隆起，和桥台伸缩缝的张裂。实际上，在未发生地震时，由于冻土段路基和桥台的不均匀变形，某些路桥过渡段已经产生了初始病害[21]。在场地允许情况下，在新、改建时可考虑肋式桥台-片块石路基过渡方案，该方案的优点在于肋式桥台的肋板之间有空隙，使得背墙后路基土体和外界可实现对流，同时该结构的路基部分采用片块石实现逐渐过渡，与桥台临近的路基整体自身也可保持冻土地温。

图12 可熔断的连杆工作机理示意图

4 结 论

此次桥梁震害的直接原因系近场地震力效应突破了大桥抗震设计参数。高寒强震区环境恶劣，本身就会导致桥台冻害、桩基冻胀、融化下沉等病害，因此对于材料的选用、结构形式的选择等都需要慎重考虑，桥梁上部本文推荐采用的组合结构相对于预应力混凝土梁自重轻、施工快、震害风险较低。另外，本文所讨论的支座、抗震挡块、提出的“可熔断”的简支梁桥面连续构造层等附属构造，直接关系到上部结构在地震响应中吸收能量、控制位移等关键功能的实现，故其在高寒强震区桥梁设计中也应予以高度重视。